Спекл – интерферометр для панорамного исследования колебаний турбинных лопаток

Рис. 1. Среднее сечение 1-й ступени лопатки турбины: 1 – входная кромка; 2 – выходная кромка; 3 – корыто; 4 – спинка; 5 – каналы для охлаждения

ОПИСАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Оптическая схема спекл – интерферометра представлена на рис. 2.

Когерентное излучение лазера 1 делится с помощью светоделителя 2 на два пучка: опорный и предметный. Опорный пучок формируется с помощью поворотных зеркал 3, 4, расширительных линз 5, 6 и направляется зеркалом 7 и оптическим клином 13 на телекамеру 16. Предметный пучок, расширяется линзой 8 и, проходя через светоделитель 12, освещает исследуемую колеблющуюся турбинную лопатку 9. При этом с помощью боковых зеркал 10, 11 освещается и обратная сторона лопатки. Рассеянный свет лопаткой 9 с помощью зеркал 10, 11, светоделителя 12, диафрагмы 14, объектива 15 направляется на телекамеру 16. На светочувствительном слое телекамеры 16 образуется интерференционная картина спекл – модулированного предметного пучка с гладкой опорной волной. Телекамера 16 соединена с персональной ЭВМ 17, в памяти которой хранится записанная спекл – интерферограмма.

Запись спекл-интерферограмм осуществляется методом вычитания изображений[6].

Рис. 2. Оптическая схема спекл-интерферометра для двухстороннего исследования колебаний объектов:

1 – лазер; 2, 12 – делители пучка; 3, 4, 7 – поворотные зеркала; 5, 6 – линзы; 8 – расширительная линза; 9 – исследуемый объект; 10, 11 – вспомогательные зеркала; 13 – оптический клин; 14 – диафрагма; 15 – объектив телекамеры; 16 – телекамера; 17 – персональная ЭВМ

В этом случае для вибрирующего на резонансной частоте объекта яркость результирующей спекл – интерферограммы, наблюдаемой на экране монитора описывается выражением [7]:

^B (x, y ) = 4 b {V Ir (x, y ) • Is (x, y) x

X J 0 [ A ⁽ x , y ) • K ⁽ x, y ^{) ]} cos [ ^ r ⁽ x , y ) - Ф s ⁽ x , y ) ^{] }} , (1 ) где b – коэффициент, зависящий от телекамеры и системы ввода;

Ir ( X , y),^_r ( X■>y ) — интенсивность и фаза опорного пучка;

Is ( X, y ), ^ _s ( X , y ) — интенсивность и фаза предметного пучка;

J о — функция Бесселя первого рода нулевого п о рядка;

A ( X, y ) — вектор амплитуды колебаний в точке ( X , y ) ;

K ( X , y ) — вектор чувствительности интерферометра в точке ( X , y ) .

Характерной особенностью этой оптической схемы является совпадение направления освещения и наблюдения в каждой точке поверхности исследуемого объекта. Вектор чувствительности спекл – интерферометра в этом случае совпадает с направлением наблюдения (рис. 3).

В настоящей работе выбиралось 9 1 <  1⁰ . Это позволяет считать, что направление вектора амплитуды вибраций A на выходной кромке лопатки при наблюдении со стороны корыта практически совпадает с направлением вектора чувствительности K 1 . Вместе с тем, исходя из геометрических размеров интерферометра, было установлено, что 9 ₂ = 45⁰ . В этом случае, при наблюдении колебаний выходной кромки со стороны спинки лопатки, интерферометр чувствителен к проекции век-

Рис. 3. Вектор чувствительности спекл-интерферометра на выходной кро м ке лопатки: A - вектор амплитуды вибраций; K 1 - вектор чувствительности со стороны корыта лопатки; K 2 – вектор чувствительности со стороны спинки тора амплитуды вибраций на вектор

Кроме того, другим важным отличием разработанного спекл – интерферометра является наличие двух дополнительных зеркал, которые устанавливаются таким образом, чтобы освещалась и наблюдалась обратная сторона лопатки. При этом на поверхность лопатки с обеих сторон должно быть нанесено светоотражающее покрытие. В качестве такого покрытия в данной работе использовались стеклянные микрошарики диаметром ~ 60 мкм, нанесённые на поверхность лопатки с помощью бесцветного лака. Это покрытие практически полностью отражает освещающий пучок в обратном направлении, оставаясь при этом диффузным и, кроме того, предотвращает появление бликов. В результате с помощью телекамеры наблюдаются одновременно колебания корыта лопатки и колебания выпуклой стенки лопатки – спинки. Два боковых изображения спинки под разными углами будут видны благодаря использованию двух вспомогательных зеркал (рис. 4). В этом случае контролируется вся поверхность спинки лопатки.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящей работе проводились исследования колебаний охлаждаемой лопатки 1-й ступени турбины в частотном диапазоне от 0 до 26 кГц. Было выявлено 15 собственных частот и форм колебаний лопатки. Ввиду того что, в большинстве случаев, на работающем двигателе максимальные напряжения возникают на кромках лопатки, изображения лопатки 2, 3 в боковых зеркалах на рис.4 в дальнейшем (на рис. 5 – рис. 8) инвертированы на 180о относительно вертикальной оси. Таким образом, изображения входной и выходной кромок со стороны корыта и со стороны спинки будут максимально приближены друг к другу, что позволяет сопоставлять между собой колебания каждой

Рис. 4. Общий вид наблюдаемого с помощью телекамеры изображения турбинной лопатки: 1 – прямое изображение лопатки; 2 – изображение лопатки в левом зеркале; 3 – изображение лопатки в правом зеркале; 4 – входная кромка лопатки; 5 – выходная кромка; 6– корыто; 7 – спинка

Рис. 5. Колебания турбинной лопатки на частоте F=4555 Гц:

1 – входная кромка; 2 – выходная кромка всей поверхности корыта лопатки и на поверхности спинки отличаются в значительной степени. На рис. 9 представлены эпюры вибросмещений, построенные по выходной кромке лопатки со стороны спинки и со стороны корыта лопатки. Амплитудное значение колебаний лопатки по спекл – интерферограмме в центре тёмных полос со стороны корыта вычислялось по формуле [8] (кривая 1):

кромки со стороны корыта и со стороны спинки. Анализ форм колебаний показывает, что в большинстве случаев (особенно на низких частотах) расположение узловых линий на спинке и корыте лопатки совпадает (рис. 5)

Вместе с тем, при колебаниях лопатки на частоте 17950 Гц, верхняя часть корыта (участок S ₁ ) лопатки колеблется, в то время как соответствующая часть спинки (участок S ₁ ^/ ) находится в покое (рис. 6).

При колебаниях на частоте 21827 Гц в нижней части лопатки появляется аномальный участок S ₂ , который со стороны корыта и со стороны спинки колеблется неодинаково (рис. 7).

Ход узловых линий на отмеченном участке не совпадает. Есть различия также в расположении узловых линий на выходной кромке. Наличие аномальных участков, указанных на рис.6 и рис. 7, свидетельствует о возможных нарушениях структурной целостности лопатки в неко- n

A i = — • Л

4л ’

торых точках на этих участках.

Наибольшие различия были зарегистрированы при колебаниях на частоте F=25310 Гц (рис. 8).

В этом случае расположение узловых линий на где i – номер экстремума функции Бесселя,

Рис. 7. Колебания турбинной лопатки на частоте F=21827 Гц

Рис. 8. Колебания турбинной лопатки на частоте F=25310 Гц:

1 – выходная кромка со стороны корыта; 1 ^/ – выход-

Рис. 6. Колебания турбинной лопатки на частоте F=17950 Гц

ная кромка со стороны спинки

n i – значение функции Бесселя в точке экстремума,

X — длина волны используемого лазерного излучения ( X =632,8 нм).

Ввиду того, что COS 45 0 = 0,707 , амплитудное значение колебаний по спекл - интерферограмме в центре тёмных полос со стороны спинки вычислялось как (кривая 1^|):